ANALIZA TRWAŁOŚCI STALOWYCH OBIEKTÓW MOSTOWYCH W ZALEŻNOŚCI OD ŚRODOWISKA KOROZYJNEGO

(1)

JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIV, z. 64 (1/17), styczeń-marzec 2017, s. 43-51, DOI:10.7862/rb.2017.5

Anna ŚPIEWAK¹ Małgorzata ULEWICZ²

ANALIZA TRWAŁOŚCI STALOWYCH

OBIEKTÓW MOSTOWYCH W ZALEŻNOŚCI OD ŚRODOWISKA KOROZYJNEGO

W artykule przedstawiono aktualne statystyki dotyczące sieci dróg województwa śląskiego zarządzanych przez Zarząd Dróg Wojewódzkich oraz ilości konstrukcji w zależności od typu ich ustroju nośnego. Poruszono aktualny w Polsce problem dotycząc trwałości stalowych obiektów mostowych z uwzględnieniem zjawiska korozji. Scharakteryzowano podstawowe czynniki wpływające na szybkość korozji niezbędne do oszacowania wpływu korozji na trwałość stalowych mostów drogowych m.in. czynniki atmosferyczne oraz czynniki wynikające z utrzymania obiektu. Zwrócono szczególną uwagę na kategorie korozyjności środowiska w którym wznoszone są konstrukcje stalowe, mające bardzo znaczący wpływ na postęp i szybkość procesu korozji. Omówiono procedurę badania wpływu korozji na trwa- łość stalowych konstrukcji mostowych opracowaną przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Przedstawiono metodę obliczania czasu bezawaryjnego użytkowania konstrukcji. Szczegółowo scharakteryzowano, niezbędne do przeprowadzenia pro- cedury obliczeniowej, redukcyjne współczynniki trwałości. Na podstawie własnej analizy określono czas bezawaryjnej pracy wybranych konstrukcji. Do obliczeń przyjęto cztery rzeczywiste mosty o dźwigarach stalowych, będących konstrukcją nośną dla żelbetowej płyty pomostowej. Wybrane mosty wzniesione zostały w różnych częściach kraju, charakteryzujących się odmienną agresywnością śro- dowiska – środowisko nadmorskie, górskie, miejskie oraz neutralne. Obiekty róż- nią się rodzajem korozji występującym na ustrojach nośnych konstrukcji. Mosty różnią się również czasem powstania obiektów, co wpływa w znacznym stopniu na ich bezpieczne użytkowanie. Na zakończenie przeanalizowano wyniki otrzymane z przeprowadzonej analizy.

Słowa kluczowe: stalowe obiekty mostowe, trwałość konstrukcji, korozja

1 Autor do korespondencji / corresponding author: Anna Śpiewak, Politechnika Częstochowska, Wydział Budownictwa, ul. Akademicka 3, 42-200 Częstochowa; tel. 34 3250 942; aspiewak@bud.pcz.czest.pl

2 Małgorzata Ulewicz, Politechnika Częstochowska, Wydział Budownictwa, ul. Akademicka 3, 42-200 Częstochowa; tel. 34 3250 935; ulewicz@bud.pcz.czest.pl

(2)

1. Wprowadzenie

Sieć dróg województwa śląskiego to 1 218,6 km dróg w ciągu których znajduje się 316 obiektów mostowych o całkowitej długości 6838 m. Miejskich obiektów mostowych o konstrukcji stalowej jest 16, a 14 to obiekty zlokalizowane na terenach pozamiejskich, co stanowi 9,49% wszystkich mostów drogowych (rys 1.) zarządzanych przez Zarząd Dróg Wojewódzkich (ZDW) w Kato- wicach [1]. Większość stalowych obiektów mostowych to konstrukcje stare, na- rażone w znacznym stopniu na korozję. Do powstawania ognisk korozyjnych może doprowadzić nieodpowiednie utrzymanie, modernizacja oraz niewłaściwa eksploatacja, a wynikiem korozji jest obniżenie trwałość stalowych obiektów mostowych. Nieodzownym elementem jest zatem zapobieganie korozji w taki sposób, aby ograniczyć długotrwałe prace remontowe lub całkowite wyłączenie obiektu mostowego z eksploatacji.

Rys. 1. Obiekty mostowe w zależności od typu konstrukcji nośnej w województwie śląskim, oprac. własne wg [1]

Fig. 1. The bridges depending on the type of load-bearing structure in the Silesian province, own elaboration by [1]

2. Metodologia określania trwałości konstrukcji stalowych drogowych obiektów mostowych z uwzględnieniem korozji

Problem trwałości konstrukcji stalowych jest tematem bardzo aktualnym, ponieważ obniżona trwałość konstrukcji powoduje konieczność naprawy lub wymianę elementów, co wiąże się ze zużyciem materiałów i energii oraz emisją zanieczyszczeń. Trwałość konstrukcji zapewnia się przez odpowiednie jej zapro- jektowanie, wykonanie, zabezpieczenie oraz utrzymanie w zaprojektowanym

(3)

okresie użytkowania, który zgodnie z wymogami norm europejskich wynosi 100 lat. Do obliczeń przyjmuje się czas pracy mostu, ale nie można zapomnieć o odpowiednim utrzymywaniu i konserwacji obiektu [2, 3].

Stal to materiał o jednorodnej strukturze, charakteryzujący się dużym współczynnikiem sprężystości, dzięki temu jest to materiał doskonale odpowia- dający założeniom metod obliczeniowych. Właściwości mechanicznie stali wpływają na bezpieczeństwo pracy konstrukcji stalowych, jednak zjawiskiem destrukcyjnym, wpływającym niekorzystnie na wytrzymałość i trwałość stali jest jej korozja, polegająca na utlenianiu się metalu. Należy podkreślić, że obiekty mostowe o nośnym ustroju dźwigarów pełnych lub kratowych ulegają znacznym uszkodzeniom w wyniku korozji atmosferycznej. Najważniejsze czynniki wpły- wające na szybkość korozji stali to stężenie zanieczyszczeń powietrza, które re- agują ze stalą konstrukcyjną, wilgotność względna powietrza oraz temperatura na powierzchni elementu, która może być wyższa lub niższa od temperatury punktu rosy wpływającej na kondensację powierzchniową. Dlatego tak istotnym aspektem w procesie projektowania konstrukcji jest uwzględnienie klasy agre- sywności środowiska, w którym konstrukcja będzie zlokalizowana. Klasy agre- sywności środowiska oraz kategorie korozyjności wraz z przykładami typowych środowisk dla klimatu umiarkowanego zostały zdefiniowane w normie PN-EN ISO 12944-2:2001: Farby i lakiery - Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich - Część 2: Klasyfikacja śro- dowisk [4]. Szybkość korozji zależy także od ogólnych warunków atmosferycz- nych (warunki wiejskie, miejskie, morskie i przemysłowe) w miejscu, w którym zlokalizowany jest obiekt.

Oszacowanie wpływu korozji na trwałość obiektów mostowych jest złożo- ną procedurą, która wymaga przede wszystkim określenia rodzaju korozji oraz wielkości wżerów korozyjnych w konstrukcji. Istotne jest również określenie miejsc występowania korozji na powierzchniach nośnych elementów stalowych, ponieważ nierównomierny rozkład produktów korozji oraz związane z nim ubytki stali konstrukcyjnej w przekrojach elementów nośnych powodują kon- centrację naprężeń. Zjawisko korozji i równoczesne cyklicznie zmieniające się naprężenia powodują znacznie większy spadek nośności konstrukcji, niż działa- nia każdego czynnika osobno. Zmienne naprężenia intensyfikują korozję, a korozja przyspiesza rozwój procesu zmęczenia materiału konstrukcyjnego.

Na etapie użytkowania stalowych obiektów mostowych może dojść do pęk- nięcia konstrukcji, które poddawane są w trakcie użytkowania wielu okresowo zmiennym obciążeniom. Koncentracja naprężeń wpływa na zmęczenie materia- łu, co prowadzi w konsekwencji do zniszczenia zmęczeniowego elementów konstrukcji. Metoda szacowania wpływu korozji na trwałość konstrukcji stalowych obiektów mostowych polega na analizie sprzężonego i integralnego układ materiał - środowisko, gdzie materiał musi charakteryzować się wysoką odpor- nością i wytrzymałością, a środowisko to czynnik niszczący, agresywny i de- strukcyjnie wpływający na materiał [5-10].

(4)

3. Procedura badania wpływu korozji na trwałość stalowych konstrukcji mostowych – charakterystyka parametrów i współczynników redukcyjnych

Metoda szacowania wpływu korozji na trwałość obiektów mostowych o stalowej konstrukcji nośnej została opracowana w oparciu o badania prowa- dzone przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów. Wykorzystywane w procedurze obliczeniowej zmniejszające, korekcyjne współczynniki trwałości (tab. 1) oraz

Tabela 1. Redukcyjne współczynniki trwałości, oprac. własne wg [5]

Table 1. Reduction coefficient of durability, own elaboration by [5]

Współczynnik SA zależny od stopnia agresywności środowiska Kategoria

korozyjności Przykład typowych środowisk zewnętrznych Wartość Cl

Bardzo mała

atmosfery w małym stopniu zanieczyszczone, głównie obsza-

ry wiejskie 0,99

C2 Mała

atmosfery miejskie i przemysłowe, umiarkowanie zanie-

czyszczone; tereny przybrzeżne o niewielkim zasoleniu 0,98 C3

Średnia tereny przemysłowe i nadbrzeżne o średnim zasoleniu 0,97 C4

Duża

tereny przemysłowe o dużej wilgotności powietrza

i agresywnej atmosferze 0,96

C5-I Bardzo duża (przemysłowa)

tereny przemysłowe o dużej wilgotności powietrza i agresywnej atmosferze

0,95 C5-M

Bardzo duża (morska)

tereny nadmorskie o dużym zasoleniu oraz obszary oddalone od brzegu w głąb morza atmosfera

Współczynnik KR zależy od rodzaju korozji

Rodzaj korozji Wartość

korozja nierównomierna, korozja wżerowa wartość wg wzoru (1) i (2)

korozja równomierna 0,97

korozja podpowłokowa, korozja szczelinowa, korozja przyspoinowa, korozja

galwaniczna 0,99

Współczynnik TW, Ti, TD zależne od oceny stanu technicznego

Ocena stanu technicznego Wartość

0 0,90

1 0,94

2 0,96

3 0,98

4 0,99

5 1,00

TW - współczynnik zależny od stanu technicznego systemu odwodnienia, Ti - współczynnik zależny od stanu technicznego izolacji,

TD- współczynnik zależny od stanu technicznego urządzeń dylatacyjnych.

Współczynnik β zależny od klasy drogi

Klasa drogi Wartość

Dla drogi klasy A 0,90

Dla drogi klasy S 0,93

Dla drogi klasy GP 0,95

Dla drogi klasy G 0,96

Dla drogi klasy Z, L, D 0,99

(5)

zależności matematyczne umożliwiające wyznaczenie czasu eksploatacji obiektu skorodowanego, zostały przyjęte na podstawie analizy przeprowadzonych ba- dań. Oszacowanie wpływu korozji na trwałość jest możliwe jedynie po określe- niu stopnia agresywności środowiska, w którym zlokalizowano obiekt i rodzaju korozji występującej w ustroju nośnym, stanu technicznego urządzeń odwadnia- jących, dylatacyjnych oraz izolacji. Istotne jest również ustalenie klasy drogi na podstawie rodzaju ruchu oraz wieku analizowanego obiektu mostowego. Przed- stawiona metoda, jest sposobem na określenie okresu bezpiecznej, bezawaryjnej pracy konstrukcji, w którym zjawisko korozji postępuje z dużym prawdopodo- bieństwem (około 90 %) [5, 6].

Wartość współczynnika KR należy przyjąć jako średnią arytmetyczną warto- ści parametru skorodowania i- ego dźwigara mostowego wi, który oblicza się względem włókien górnych i dolnych przekroju ze wzorów (1) i (2) [5]:

nom id

kor id

id W

w W

_

= _ (1)

nom gd

kor ig

ig W

w W

_

= _ (2)

gdzie: wid, wig – parametr korozyjny dźwigara i,

Wid_kor, Wig_kor – wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie skorodowanego dźwigara i, względem włókien dolnych i górnych, [cm³],

Wid_nom, Wig_nom – wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie niesko- rodowanego dźwigara i, względem włókien dolnych i górnych, [cm³]).

Scharakteryzowane redukcyjne, współczynniki trwałości konstrukcji pozwalają na wyznaczenie czasu eksploatacji obiektu mostowego podczas którego proces korozji cały czas postępuje. Etapem pośrednim wyznaczenia wpływu korozji na trwałość stalowych mostów drogowych jest określenie stopnia skrócenia czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji [5]:

3

D i W A R T

T T S T

K

S = ⋅ ⋅ + + (3)

gdzie: ST – stopień skrócenia czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji, KR, SA, TW, Ti, TD – współczynniki zmniejszające wg tab. 1.

Końcowym efektem obliczeń jest uzyskanie czasu bezawaryjnej i bezpiecznej pracy konstrukcji stalowego obiektu mostowego Te z uwzględnieniem wieku obiektu [5].

W S

T

T_e = _m⋅ _T⋅β− ⁽⁴⁾

(6)

gdzie: Te – projektowany czas bezawaryjnej pracy konstrukcji pod wpływem korozji (w latach),

Tm – projektowany czas eksploatacji obiektu (w latach), ST – stopień skrócenia czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji, β – współczynnik zmniejszający wg tab. 1,

W – wiek mostu (w latach).

4. Analiza trwałości rzeczywistych konstrukcji w zależności od lokalizacji i środowiska

Zgodnie z procedurą szacowania trwałości stalowych obiektów mostowych uwzględniającą postęp zjawiska korozji przeanalizowano cztery wybrane obiekty rzeczywiste. Dwa obiekty to mosty wybudowane na terenie województwa śląskiego w Wiśle Malinka i Nędzy, zlokalizowane w ciągu dróg wojewódzkich odpowiednio nr 942 i 922 zarządzanych przez ZDW. Dla porównania wybrano dodatkowo dwa obiekty zróżnicowane pod względem środowiska - most drogowy w Łebie zlokalizowany w ciągu drogi 104039 G zarządzanej przez gminę miasta Łeba oraz most drogowy będący w ciągu drogi powiatowej 1661D we Wrocławiu. Analizę przeprowadzono w oparciu o dane z raportów dotyczących przeglądów szczegółowych wybranych obiektów mostowych. Na podstawie da- nych sporządzono tabelę 2, ze współczynnikami trwałości dla analizowanych obiektów oraz wyznaczono stopień skrócenia czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji mostów drogowych oraz całkowity czas bezawaryjnej pracy konstrukcji.

Brak dokumentacji projektowej wszystkich czterech obiektów mostowych spo- wodowało przyjęcie do dalszej analizy projektowany okres użytkowania obiek- tów 100 lat, który został ustalony na podstawie doświadczenia pracowników ZDW w Katowicach oraz w oparciu o wytyczne z działu V Rozporządzenia Mi- nistra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie.

Przeprowadzona analiza wykazała, że największy wpływ na stopień skró- cenia czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji mostów drogowych ma zmniejszają- cy współczynnik zależny od rodzaju korozji. Istotna również jest klasa agresyw- ności środowiska, ponieważ zanieczyszczenia powietrza oraz jego zasolenie, przyspiesza postęp zjawiska korozji, co widać w przypadku mostu w Łebie. Na- tomiast z klasą drogi wiąże się Zimowe Utrzymanie Drogi, a tym samym ilość oraz stężenie środków zapobiegających powstaniu – oblodzenia, gołoledzi, śli- skości pośniegowej oraz pozostałości świeżego śniegu w okresach zimowych, które również przyczyniają się do korozji dźwigarów mostowych. Analizowane mosty to obiekty o niskich klasach dróg G lub L, jednak w dwóch ostatnich przypadkach (most we Wrocławiu oraz Łebie) są to mosty będące w ciągu głównych arterii miasta, których utrzymane w okresie zimowym, jest kluczowe dla infrastruktury miasta. Obiekt zlokalizowany w Wiśle w ciągu drogi wojewódz-

(7)

Tabela 2. Dane dotyczące analizowanych rzeczywistych obiektów mostowych [oprac. własne]

Table 2. Data on the analyzed bridges of real [own elaboration]

MOST WISŁA MALINKA – województwo śląskie

Rodzaj przeszkody potok Malina Nr drogi 942 Lokalizacja km 36+566 Redukcyjne współczynniki trwałości wg tabeli 1

SA KR TW Ti TD β W

0,98 0,923 0,98 0,90 - 0,96 54

Stopień skrócenia czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji ST 0,850

Czas bezawaryjnej pracy konstrukcji pod wpływem korozji Te 27

MOST NĘDZA – województwo śląskie

Rodzaj przeszkody rzeka Sumina Nr drogi 922 Lokalizacja km 4+772 Redukcyjne współczynniki trwałości wg tabeli 1

SA KR TW Ti TD β W

0,98 0,825 - 0,94 - 0,96 58

MOST ŁEBA – województwo pomorskie

Rodzaj przeszkody rzeka Łeba Nr drogi 104039 G Lokalizacja ul. Sienkiewicza Redukcyjne współczynniki trwałości wg tabeli 1

SA KR TW Ti TD β W

0,95 0,700 0,98 1,00 0,94 0,99 18

MOST WROCŁAW – województwo dolnośląskie

Rodzaj przeszkody śluza Mieszczańska Nr drogi 1661D Lokalizacja ul. Sienkiewicza Redukcyjne współczynniki trwałości wg tabeli 1

SA KR TW Ti TD β W

0,98 0,891 0,99 0,96 0,96 0,99 81

kiej 942 prowadzącej z Wisły do Szczyrku przez przełęcz Salmopolską charak- teryzującą się ostrym kontem nachylania oraz kilkunastoma ostrymi zakrętami, wymaga ze względów bezpieczeństwa użytkowników drogi idealnego zimowe- go utrzymanie. Warto również zwrócić uwagę, że stan techniczny elementów analizowanych konstrukcji jest najczęściej niepokojący lub niedostateczny, a ostateczna ocena stanu technicznego całych obiektów wynosi 2-3. Bardzo czę- sto po przeglądach stwierdza się, że istniejące uszkodzenia mogą stanowić za- grożenie bezpieczeństwa ruchu publicznego lub mogą ograniczyć przydatność obiektu mostowego do użytkowania. Dlatego tak istotna jest konserwacja, reno- wacja i modernizacja obiektów oraz ich zabezpieczeń antykorozyjnych.

5. Wnioski

Przedstawiona metoda szacowania czasu bezawaryjnej pracy konstrukcji z uwzględnieniem korozji jest uzasadniona, a wyniki otrzymane z analizy niosą istotne informacje o obiekcie mostowym o stalowej konstrukcji nośnej pomocne w przypadku sporządzania raportów z okresowych przeglądów stanu technicz-

(8)

nego mostów i wiaduktów. Bezawaryjny czas pracy mostu wyznaczany jest jednak w określonym wieku eksploatowanej konstrukcji, dlatego wydaje się istotnym z uwagi na ciągłość procesu korozji oszacowanie tempa postępowania tego destrukcyjnego zjawiska. Oszacowanie postępu korozji uwzględniając warunki środowiskowe i eksploatacyjne jest istotne w związku z planowanymi pracami modernizacyjnymi i remontowymi. Dlatego, metoda szacowania wpływu korozji na trwałość konstrukcji stalowych drogowych obiektów mostowych jest odpo- wiednia dla wstępnej szacunkowej analizy konstrukcji, jednak do całkowitego określenia nośności i trwałości z uwzględnieniem zmęczenia materiału oraz szybkości rozwoju korozji stalowych obiektów mostowych niezbędne jest prze- prowadzenie dodatkowych obliczeń, co stanowi cel dalszej pracy.

Podziękowanie. Badania finansowane z Grantu SK-PL-2015-0004

Literatura

[1] Informacje udostępnione przez Zarząd Dróg Wojewódzkich w Katowicach.

[2] PN-EN 1993-2:2010 Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 2: Mo- sty stalowe.

[3] Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie, działu V. Trwałość obiektów inżynierskich, § 153. Okres użytkowania obiektów inżynierskich.

[4] http://budownictwopolskie.pl/artykul/charakterystyka_stali_i_konstrukcji_stalowych {dostęp 28.04.2016 r.}.

[5] Czerepak A., Czudek H., Pryga A., Wysokowski A. Metoda szacowania wpływu korozji na nośność konstrukcji stalowych mostów drogowych. Zalecenia GDDKiA.

Wydawnictwo IBDiM, Żmigród, 2003.

[6] Wysokowski A. Trwałość mostów stalowych w funkcji zjawisk zmęczeniowych i korozyjnych. Praca habilitacyjna. Wydawnictwo IBDiM, Warszawa, 2001.

[7] Chwastek A., Ulewicz M., Problem występowania korozji stalowych drogowych konstrukcji mostowych, [w] Wybrane interdyscyplinarne zagadnienia budownictwa pod red. Nagórski R., Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2015, 259-273.

[8] PN-EN ISO 12944-2:2001: Farby i lakiery - Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich - Część 2: Klasyfikacja środo- wisk.

[9] Baraniak A., Nowowiejski K. Jak prawidłowo zaprojektować konstrukcję stalową i system jej ochrony przed korozją. Inżynieria Powierzchni, 1/2007, 15-21.

[10] Ustawa z dnia 21 marca 1985 r. o drogach publicznych (Dz.U. z 2015 poz. 460).

(9)

ANALYSIS OF STABILITY OF STEEL BRIDGE OF DEPENDING ON THE CORROSIVE ENVIRONMENT

S u m m a r y

The article presents the current statistics on road network Silesian province managed by the Province Road Authority. Shows the amount of the structure depending on the type of the bearing structure. Presents problems concerning the durability of steel bridges taking into account the corrosion current in Poland. Characterizes basic factors affecting the corrosion rate relevant for the assessment of the impact of corrosion on the durability of steel road bridges, among others, weath- er conditions and factors concerning facility maintenance. Particular attention is paid to the catego- ries of corrosivity of the environment in which they are constructed steel structures, which have a very large impact on the progress and rate of the corrosion process. Procedure to study the effect of corrosion on the durability of the steel bridge structures developed by the Research Institute of Roads and Bridges. Presents a method for calculating the uptime of the structure. Characterized needed to carry out the calculation procedure, reduction coefficients of durability. Based on its analysis of the specified lifetime of the selected design. The calculation is four real bridges with steel girders, which are the supporting structure for the reinforced concrete plate bridge. Selected bridges were built in different areas of the country, characterized by different aggressiveness of the environment - the environment coastal, mountain, urban and neutral. Objects differ in the type of corrosion occurring on the bearing system. Bridges also differ in the age of objects, which has a significant impact on their safety. At the end of the analyzed results obtained from the analysis.

Keywords: steel bridges, durability of bridge structures, corrosion Przesłano do redakcji: 22.12.2016 r.

Przyjęto do druku: 31.03.2017 r.